JP2007112188A - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置において、使用している部品を熱による破壊や劣化から保護するために最適な電流制限手法を提供する。
【解決手段】ステアリング系に操舵補助力を与えるモーター６を設け、このモーターへの通電電流を操舵情報に応じて制御することにより前記ステアリング系の操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記電動パワーステアリング装置の発熱部位の発熱量７１と前記電動パワーステアリング装置の熱移動に関する数学モデル７２とから、前記電動パワーステアリング装置の各部位の温度を算出する温度推測器７と、前記温度推測器により算出された温度にもとづいて前記モーターへの通電電流の上限値を算出する上限電流演算器８とを備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動パワーステアリング装置、特に、使用している部品を熱による破壊や劣化から保護するために通電電流を制限する電動パワーステアリング装置に関するものである。

従来の電動パワーステアリング装置は、ステアリングシャフトに取り付けられたトルクセンサから操舵トルクを検出し、この操舵トルクに応じてモーターに流す電流を制御し、ステアリング系の操舵を補助するようになっている。この電流の制御は、制御システムのパワー回路に設けられた半導体パワー素子が、通電電流をスイッチングしてパルス幅変調することによって行われている。

ところが、このような電動パワーステアリング装置では、モーターの通電電流が大きいため、通電電流が流れる半導体パワー素子等の部品やモーターの発熱量も大きく、パワー回路やモーターが高温になることがあり、使用している部品が熱によって破壊や劣化する恐れがあった。

このため、電動パワーステアリング装置において使用している部品の過熱を防止する方法として、モーター近傍に設置したモーターの温度を検出する温度センサーと、パワー回路の温度を検出する温度センサーの少なくとも一方でモーターに流し得る最大電流制限値を減少するように制御することにより、モーター大電流が連続して流れ続ける場合でも、半導体パワー素子の過熱を防止するようにしていた。（例えば特許文献１参照）。

また、モーター近傍にモーター周囲温度検出器を設け、パワー回路近傍にパワー回路周囲温度検出器を設け、モーターの通電電流にもとづいてモーターとパワー回路の発熱量を計算し、各々の検出温度と発熱量とからモーターとパワー回路の温度上昇を予測することにより、過熱の恐れがある場合は電流制限を行なって、過熱を防止するようにしていた。
（例えば特許文献２参照）。

特開平２−９２７８１号公報 特開平１１−５９４４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、パワー回路およびモーターから外部へ逃げる熱を考慮に入れていないため、雰囲気温度が高い場合を前提として電流制限を行う必要があり、雰囲気温度が低い場合には耐熱性能に余裕があるにもかかわらず電流制限が行なわれるという問題点があった。

また、特許文献２に開示された方法では、検出温度としてパワー回路およびモーターの温度にのみ依存しているため、パワー回路やモーターの設置形態によっては、雰囲気温度の変動が温度上昇に影響を与える場合や、パワー回路とモーターの発熱が相互に影響を及ぼす場合がある。このような場合には、パワー回路やモーターの温度を検出するだけでは、十分に精度よく温度上昇を予測することが難しい。

さらに、検出温度としてパワー回路およびモーターの温度にのみ依存していることから、温度検出ノイズの影響を直接受けるため、温度に誤差が多く含まれる。このように誤差の含まれた温度から温度上昇を推定するため、推定された温度情報の精度が低くなるという問題点がある。推定した温度の精度が低い場合、パワー回路およびモーターの過熱を防止するためには電流制限を行なう温度に余裕を持たせる必要がある。

以上のように、従来の方法では部品の耐熱性に余裕がある温度で電流制限が行なわれていたが、モーターの通電電流に電流制限が行なわれると、モーターの出力トルクが不十分となり、操舵の補助が弱くなるため、操舵フィーリングに悪影響を与えるという問題点があった。

また、従来の方法ではパワー回路とモーターの双方を保護するために、パワー回路とモーターの近傍にそれぞれ温度検出器を設置する必要があるが、複数の温度検出器の設置はコストの上昇を招くという問題点がある。さらに、温度検出器はパワー回路およびモーターの近傍に設置する必要があるため、温度検出器の設置位置に自由度が少なく、回路設計や構造設計が制約されるという問題点もあった。

この発明は、これらの問題点に対処するためになされたもので、電動パワーステアリング装置に用いられている部品を熱による破壊や劣化から保護しつつ、極力モーターに供給する電流量を維持することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は、ステアリング系に操舵補助力を与えるモーターを設け、このモーターへの通電電流を操舵情報に応じて制御することにより前記ステアリング系の操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、前記電動パワーステアリング装置の発熱部位の発熱量と前記電動パワーステアリング装置の熱移動に関する数学モデルとから、前記電動パワーステアリング装置の各部位の温度を算出する温度推測器と、前記温度推測器により算出された温度にもとづいて前記モーターへの通電電流の上限値を算出する上限電流演算器とを備えたものである。

この発明に係る電動パワーステアリング装置は前記のように構成され、熱移動に関する数学モデルにもとづいて各部の温度を算出するため、精度の良いモデルを用いることにより、算出された各部の温度が持つ誤差を小さくすることができる。また、誤差の少ない温度にもとづいてモーターへの通電電流の上限値を算出するため、電動パワーステアリング装置に用いられている部品を熱による破壊や劣化から保護しつつ、極力モーターに供給する電流量を維持することができる。

さらに、この発明によれば、温度検出器が不要であり、低コストで部品を熱による破壊や劣化から保護することができる。また、前記温度推測器では、電動パワーステアリング装置の任意の個所に設置された温度検出器により検出された温度と、温度推測器によって算出された温度との誤差を温度推測器にフィードバックすることが可能であるため、温度推測器により算出された温度の誤差をさらに減少させることができる。

さらにまた、温度検出器は任意の個所に設置すればよいため、回路設計や構造設計における自由度を高くすることができる他、温度検出器も最小で一個所に設置すればよいため、低コストでシステムを構築することができる。

また、前記温度推測器では、熱移動に関する数学モデルによって、電動パワーステアリングの各部の温度だけではなく、雰囲気温度も算出することが可能となる。通常、雰囲気温度が変動した場合、電動パワーステアリング装置外部へ移動する熱量も変動するが、前記温度推測器により雰囲気温度を算出した場合は、電動パワーステアリング装置外部へ移動する熱量を正確に計算することができるため、温度推測器により算出された温度の精度を高めることができる。

また、この発明によれば、電動パワーステアリング装置の耐熱性能が問題となる部品の近傍に温度検出装置を設置することにより、温度検出装置によって検出された温度と、任意に設定した上限温度との差の関数をモーターへの通電電流の上限値として算出する上限電流演算器を持った電動パワーステアリング装置を提供することができる。

また、耐熱性能が問題となる部品の近傍温度が任意に設定した上限温度に達した場合には、電流値は一定の値となるが、このとき、耐熱性能が問題となる部品が熱平衡となるか、冷却されるように関数を設定することにより、耐熱性能が問題となる部品の温度を上限温度以下とすることができ、かつ耐熱性能が問題となる部品の近傍温度が任意に設定した上限温度以下であれば、関数の選定により任意の電流量を上限値として設定できるため、極力モーターに供給する電流量を維持することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。図1は、実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、トルク検出器1により検出されたトルク信号２０にもとづき、モーター目標電流演算器２により必要となるアシスト量を計算し、モーターがアシスト量を出力するために必要となる電流値２１を計算する。

電流値比較器３において、モーター目標電流演算器２により計算された電流値信号２１と、後述の方法によって算出された上限電流値信号２５とを比較し、より小さい値を電流値信号２２としてモーター駆動制御器５へ出力する。モーター駆動制御器５では、電流値比較器３において出力された電流値信号２２を電源４からの電力供給を受けてモーター６への通電電流２３として出力し、モーター６を駆動する。

温度推測器７は、内部に発熱量計算器７１と電動パワーステアリング装置における熱移動の数学モデル７２を内蔵している。この数学モデル７２は、例えば、電動パワーステアリングを任意の数の部分に分割し、各部分間と雰囲気との熱移動を計算することによって構築することができる。このような数学モデルにおいて、電動パワーステアリング装置起動時の初期温度を設定し、発熱量計算器７１により計算された発熱量を逐次入力することにより、現在の各部位の温度を計算することが可能となる。

初期温度を設定する方法としては、例えば、初期における電動パワーステアリング装置内の温度を均一と仮定し、電動パワーステアリング装置の外部から雰囲気温度の情報を得て、この値を全ての部位の初期温度とすればよい。また、環境温度が最大となる場合を想定して、その値を全ての部位の初期温度としてもよい。

モーター上限電流演算器８は、温度推測器７によって得られた電動パワーステアリング装置各部の温度信号２４をもとに、熱破壊の恐れがある部位の温度が一定以上にならないようにするための電流値を計算する。この電流値をモーターに通電する電流の上限値とし、上限電流値信号２５として電流値比較器３に送る。電流値比較器３においては、モーター目標電流演算器２により計算された電流値信号２１と、上限電流値２５とを比較し、より小さい値を電流値信号２２としてモーター駆動制御器５へ出力する。

以上の構成によると、温度推測器７によって得られた温度をもとに、熱破壊の恐れがある部位の温度が一定以上にならないようにするための電流値を上限電流として求め、上限電流以上の電流は通電されないため、熱破壊の恐れがある部位の温度が一定以上にならないようにすることができ、部品を熱による破壊や劣化から防ぐことができる。
また、以上の構成では、温度検出器を必要としないため、低コストで、使用している部品を熱による破壊や劣化から保護することができる。

なお、電動パワーステアリング装置における発熱部品が複数ある場合、例えば、モーターとパワー回路部分が一体となった電動パワーステアリング装置などでは、モーターとパワー回路部品がそれぞれ発熱する。このような場合には、モーターとパワー回路部品の２つの発熱部分を持つ数学モデルを用いればよい。

また、筐体が２つ以上に分かれている場合などでは、数学モデルを複数持ってもよい。例えば、モーターとパワー回路部分が完全に分離されている場合には、モーター部分の熱移動に関する数学モデルとパワー回路部分の熱移動に関する数学モデルの２つを持ってもよい。

なお、以上の例では温度推測器７において、数学モデル７２にもとづいて各部位の温度を推測し、この温度をもとに上限電流を決定しているが、各部位の温度の時間微分値を求め、この温度の時間微分値をもとに電流制限を行ってもよい。

また、以上の例では、温度推測器７において、モーター駆動制御器５に送られる電流値信号２２から発熱量を計算しているが、実際にモーターへ通電される電流等を計測し、その計測値をもとに発熱量を計算する構成としてもよい。また、温度観測器７において、トルク検出器１から検出されたトルク信号２０をもとに、発熱量を計算する構成としてもよい。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。図２は、実施の形態２による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。この図において、図１と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。

図１と異なる点は、電動パワーステアリング装置の任意の場所に少なくとも１つの温度検出器９を設け、温度検出器９により検出された温度と、温度推測器７において算出された温度との誤差を誤差計算器７３で計算すると共に、その誤差を温度誤差信号７４として温度推測器７の数学モデル７２にフィードバックし、温度推測器７における誤差を低減させるようにした点である。

なお、温度検出器９を設けている部位の温度は、温度推測器７によって計算してもよいが、温度検出器９によって検出された温度をそのまま用いてもよい。
また、温度検出器9により温度を検出する部位は電動パワーステアリング装置の任意の個所でよい。さらに、１つの部位の温度を複数の温度検出器９により検出し、検出温度の平均と温度推測器７において算出された温度との誤差を温度推測器７にフィードバックする構成としてもよい。

さらにまた、温度検出器9によって検出された温度にノイズが含まれる可能性がある場合には、検出温度信号にローパスフィルターなどのノイズフィルターをかけることによって、検出温度からノイズを取り除く構成としてもよい。
また、複数の部位の温度を検出し、それぞれの部位における検出温度と、温度推測器７において算出された温度との誤差をフィードバックする構成としてもよい。
また、温度検出器９が故障したと判断される場合、誤差のフィードバックを取りやめ、実施の形態１による制御を行なう構成としてもよい。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３について説明する。
上述した実施の形態１または２において、温度推測器７において計算する温度は、電動パワーステアリング装置各部の温度だけではなく、雰囲気温度が含まれていてもよい。
実施の形態３においては、雰囲気温度をも計算することにより、雰囲気温度が変動した場合であっても、外部へ移動する熱を精度よく計算することができ、電動パワーステアリング装置各部の温度をより正確に算出することができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。図３は、実施の形態４による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。図３に示すように、トルク検出器１により検出されたトルク信号２０にもとづき、モーター目標電流演算器２により必要となるアシスト量を計算し、モーターがアシスト量を出力するために必要となる電流値２１を計算する。

一方で、耐熱性能で問題となる部品の近傍に温度検出器９を設け、この温度検出器９により検出された温度情報２４を上限電流演算器８に送る。上限電流演算器８は、モーターに通電することのできる電流の上限値を、任意に設定した上限温度と前記温度検出装置によって検出された温度との差の関数として計算する。例えば、上限温度をTmax、温度検出器９により検出された温度をTとすると、上限電流をA×(Tmax−T)^２とする。

電流値比較器３において、モーター目標電流演算器２により計算された電流値信号２１と、上限電流演算器８により計算された上限電流値信号２５とを比較し、より小さい値を電流信号２２としてモーター駆動制御器５へ出力する。モーター駆動制御器５では、電流値比較器３において出力された電流信号２２をモーター６への通電電流２３として出力し、モーター６を駆動する。

このような構成とすることにより、任意に設定した上限温度と温度検出器９によって検出された温度との差が小さくなるにつれ、モーター６に通電することのできる電流の上限値を小さくすることができる。特に、任意に設定した上限温度と温度検出器９によって検出された温度との差が0となる場合は、モーター６へ通電できる電流量も0となり、発熱が起こらない状態となる。このため、耐熱性能で問題となる部品を熱による破壊や劣化から防ぐことができる。

なお、以上の例では上限電流を任意に設定した上限温度と温度検出器９によって検出された温度との差の二乗に比例するようにしたが、任意に設定した上限温度と温度検出器9によって検出された温度との差に比例するなど、任意に設定した上限温度と温度検出器9によって検出された温度との差の関数であればよい。また、以上の例では、任意に設定した上限温度と温度検出器9によって検出された温度との差が0となる場合は、モーター６へ通電できる電流量も0となるが、外部へ逃げる熱の影響によって検出温度が上限温度を上回ることがなければ、このとき通電できる電流量を0以上としてもよい。

また、耐熱性能で問題となる部品として、複数の部品の近傍に各々の部品温度を検出する温度検出器9を置いてもよく、上限温度も各々の部品によって異なる値を設定してもよく、各々の部品によって異なる関数を持たせてもよい。この場合、複数の上限電流値のうち、最も低い電流値を上限電流とすればよい。

また、温度検出器9によって検出された温度にノイズが含まれる可能性がある場合には、検出温度信号にローパスフィルターなどのノイズフィルターをかけることによって、検出温度からノイズを取り除く構成としてもよい。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５について説明する。
上述した実施の形態３において、上限電流演算器８で、温度検出器9によって検出された温度を、任意に設定した上限温度に保つための電流を計算し、上限電流値信号２５として出力する構成としても良い。例えば、上限温度をTmax、温度検出器9により検出された温度をT、耐熱性能で問題となる部品の熱容量をCとすると、時間τ後に温度検出器9によって検出された温度を任意に設定した上限温度に保つために必要となる熱量Qは、Q=C×(Tmax−T)/τと表すことができる。上限電流演算器８では、温度検出器9により検出された温度をTから、発熱部品の発熱量がQとなる電流値を計算し、上限電流値信号２５として出力するという構成をとればよい。

このような構成とすることにより、耐熱性が問題となる部品の周囲温度が上限温度を超えるほどの大電流がモーター目標電流演算器２により計算された場合、上限電流演算器８によって計算される電流値は任意に設定した上限温度に保つための電流であることから、上限電流演算器８によって計算される電流値はモーター目標電流演算器２により計算された電流値に比べて低い値となる。従って、実際にモーターへ通電される電流値は上限電流演算器８によって計算される電流値となることから、耐熱性が問題となる部品の周囲温度が上限温度を超えることはなく、耐熱性能で問題となる部品を熱による破壊や劣化から防ぐことができる。

なお、以上の例では、上限温度と現在温度との偏差に比例する量から上限電流値を計算しているが、上限電流値は温度検出器9によって検出された温度を任意に設定した上限温度に保つことができる電流値であればよい。例えば、上限温度と現在温度との偏差の積分、および微分に比例して上限電流値を変化させる構成としてもよい。

また、温度検出器9によって検出された温度にノイズが含まれる可能性がある場合には、検出温度信号にローパスフィルターなどのノイズフィルターをかけることによって、検出温度からノイズを取り除く構成としてもよい。

なお、上述した実施の形態１〜５においては、通電電流の制御方法として、電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、電動パワーステアリング装置以外の装置でモーターを用いて駆動する装置での出力制限方法として適用することもできる。

この発明の実施の形態１による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４による電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ トルク検出器、 ２ モーター目標電流演算器、 ３ 電流値比較器、
４ 電源、 ５ モーター駆動制御器、 ６ モーター、 ７ 温度推測器、
８ モーター上限電流演算器、 ９ 温度検出器、 ２０ トルク信号、
２１ 目標電流値信号、 ２２ モーター通電電流値信号、 ２３ 通電電流、
２４ 温度信号、 ２５ 上限電流値信号、 ７１ 発熱量計算器、
７２ 熱移動の数学モデル、 ７３ 誤差計算器、 ７４ 温度誤差信号。

Claims (5)

1. ステアリング系に操舵補助力を与えるモーターを設け、このモーターへの通電電流を操舵情報に応じて制御することにより前記ステアリング系の操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記電動パワーステアリング装置の発熱部位の発熱量と前記電動パワーステアリング装置の熱移動に関する数学モデルとから、前記電動パワーステアリング装置の各部位の温度を算出する温度推測器と、
   前記温度推測器により算出された温度にもとづいて前記モーターへの通電電流の上限値を算出する上限電流演算器とを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記電動パワーステアリング装置は少なくとも一つの温度検出器を任意の個所に設け、前記温度検出器により検出された温度と、前記温度推測器によって算出された温度との誤差を前記温度推測器にフィードバックすることにより、前記温度推測器により算出された温度の誤差を減少させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. ステアリング系に操舵補助力を与えるモーターを設け、このモーターへの通電電流を操舵情報に応じて制御することにより前記ステアリング系の操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記電動パワーステアリング装置の発熱部位の発熱量と前記電動パワーステアリング装置の熱移動に関する数学モデルとから、前記電動パワーステアリング装置の各部位と雰囲気の温度を算出する温度推測器と、
   前記温度推測器により算出された温度にもとづいて前記モーターへの通電電流の上限値を算出する上限電流演算器とを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
4. ステアリング系に操舵補助力を与えるモーターを設け、このモーターへの通電電流を操舵情報に応じて制御することにより前記ステアリング系の操舵を補助する電動パワーステアリング装置において、
   前記電動パワーステアリング装置の耐熱性能が問題となる部品の近傍に設置された温度検出装置と、
   任意に設定した上限温度と前記温度検出装置によって検出された温度との差の関数を前記モーターへの通電電流の上限値として算出する上限電流演算器とを備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
5. 前記上限電流演算器は、前記温度検出装置によって検出された温度を任意に設定した上限温度に保つための電流値を前記モーターへの通電電流の上限値として算出するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電動パワーステアリング装置。

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